Các nhà vật lý phát hiện những dạng băng phức tạp nhất từ trước đến nay

Các nhà vật lý phát hiện những dạng băng phức tạp nhất từ trước đến nay

Băng không chỉ có một dạng duy nhất như chúng ta thấy trong tủ lạnh hay trên các sông băng. Kể từ năm 1900, các nhà khoa học đã quan sát thấy hơn 20 pha của băng, nhiều trong số đó hình thành dưới các điều kiện khắc nghiệt. Danh sách này ngày càng mở rộng với sự xuất hiện của "băng nóng" và thậm chí là những loại băng có khả năng dẫn điện.

Minh họa cấu trúc băng mới

Băng là tên gọi của bất kỳ pha rắn kết tinh nào của nước, nghĩa là nó có cấu trúc phân tử lặp lại. Trong thập kỷ qua, các mô phỏng máy tính đã dự đoán hàng chục nghìn dạng băng có thể tồn tại. Mặc dù hiếm gặp trên Trái Đất, những loại băng kỳ lạ này có thể tồn tại trong các môi trường ngoài không gian, từ đuôi sao chổi lạnh lẽo đến các lõi hành tinh băng nóng bỏng và chịu áp lực lớn.

Khi các nhà vật lý áp dụng các kỹ thuật thí nghiệm cải tiến để kiểm tra nước, họ tiếp tục tìm thấy những bất ngờ. Marius Millot, nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) ở California, cho biết: "Bạn chỉ cần lấy nước và nén nó — nhanh hơn một chút, chậm hơn một chút, lên xuống đúng thời điểm — và bạn có thể tìm thấy một hành vi hoàn toàn không mong đợi."

Sự đa dạng hình dạng của nước

Hình dạng của phân tử nước khiến nó trở nên cực kỳ linh hoạt. Mỗi phân tử nước trông giống như một đơn vị trung tâm với bốn cánh tay tách ra bởi lực điện từ. Đơn vị trung tâm là một nguyên tử oxy. Liên kết với nó là hai nguyên tử hydro, và hai cặp electron tự do còn lại vươn ra giống như các chi thêm.

Hình dạng của phân tử nước

Trong dạng băng phổ biến nhất, các khối xây dựng này kết hợp để tạo thành cấu trúc lục giác dạng lồng. Sự rộng rãi của sự sắp xếp này làm cho băng thông thường ít đặc hơn nước lỏng. Đây là lý do tại sao băng lại nổi và các vùng nước đóng băng từ trên xuống dưới, cho phép sự sống dưới nước tồn tại qua mùa đông.

Tuy nhiên, khi đặt nước dưới áp suất, hình dạng của nó có thể bị nén và chồng chéo lên nhau trong vô số mẫu có thể. Livia Bove, một nhà vật lý tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Lausanne, nhận định: "Vì nó có thể lấy nhiều hình dạng khác nhau nên vật lý và hóa học của nước có thể hoàn toàn khác nhau từ môi trường này sang môi trường khác. Nó đẹp đẽ về mặt tô pô."

Áp lực cực đại và sự ra đời của Ice XXI

Vào năm 2018, Yong-Jae Kim, khi đó là một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS), đã nghiên cứu cách nước nhiệt độ phòng chuyển thành băng dưới áp suất cực đoan. Thí nghiệm liên quan đến việc nén một giọt nước giữa hai viên kim cương và nghiên cứu cấu trúc phân tử thay đổi của nó bằng hình ảnh tốc độ cao.

Khi xem xét dữ liệu, Kim nhận thấy điều thoạt đầu trông giống như một sai sót. Chỉ trong vài chục mili-giây, băng dường như mất cấu trúc, tan biến thành một mớ hỗn độn các phân tử trước khi chuyển sang pha tiếp theo. Ban đầu, ông lo lắng rằng mồ hôi hoặc bụi bẩn đã làm nhiễm bẩn mẫu nước.

Các nhà khoa học Federica Coppari và Yong-Jae Kim

Năm 2025, các nhà nghiên cứu tại KRISS đã chạy phiên bản cải tiến của cùng một thí nghiệm và tái tạo thành công cấu trúc kỳ lạ này. Nó phức tạp đến mức thoạt đầu trông gần như ngẫu nhiên. Nhưng khi nhìn rộng ra, các nhà khoa học thấy cấu trúc vĩ mô của nó có tính chu kỳ.

Để xác nhận, nhóm nghiên cứu đã mang thiết bị đến Cơ sở Laser Tia X Tự do Điện tử Châu Âu ở Đức. Họ chiếu chùm tia X laser cường độ cao xuyên qua băng và đo cách tia phân tán. Hầu hết các pha của băng gửi tia bật theo chỉ một vài hướng khác nhau, nhưng mẫu này gửi ánh sáng theo khoảng 15 đường khác nhau. Khi phân tích, số lượng phân tử trong mô hình kết tinh lên tới con số ấn tượng 152. Pha băng này đã được đặt tên chính thức là Ice XXI.

Đáng chú ý, Ice XXI là một bất ngờ hoàn toàn. Nhóm đã lục lọi hàng chục nghìn pha được dự đoán trước đó nhưng không tìm thấy kết quả khớp. Cấu trúc lặp lại của Ice XXI vượt quá kích thước mà mô phỏng trước đó giới hạn tìm kiếm.

Trạng thái siêu bền và Ice XXII

Các nhà nghiên cứu tại KRISS và Kim, hiện đang làm việc tại LLNL, không đặt mục tiêu phát hiện một pha băng mới. Họ muốn điều tra một tính chất kỳ lạ khác của nước liên quan đến cách nó chuyển đổi giữa các pha. Lý thuyết cổ điển dự đoán rằng bất kỳ hệ thống nào cũng sẽ trở lại trạng thái năng lượng thấp nhất. Nhưng nước không luôn tuân theo dự đoán này.

Ví dụ, mẫu của Kim không chuyển thẳng sang trạng thái ổn định nhất (ice VI) khi bị nén. Thay vào đó, nó nhảy từ nước sang Ice XXI, rồi mới sang Ice VII. Những pha trung gian này được gọi là trạng thái siêu bền (metastable states), cho thấy một số chuyển pha diễn ra từng bước chứ không phải cùng một lúc.

Một nhóm do Hiroki Kobayashi của Đại học Tokyo dẫn đầu đã tiếp nối phát hiện về Ice XXI và tái tạo nó bằng các kỹ thuật khác. Trong quá trình đó, họ phát hiện ra một pha lân cận — nay được gọi là Ice XXII — thậm chí còn phức tạp hơn, lặp lại mẫu của nó chỉ sau mỗi 304 phân tử.

Băng dẻo và bí ẩn của các hành tinh

Vào năm 2025, nhóm của Bove tại Lausanne đã phát hiện ra một pha băng siêu bền nhỏ hơn nhưng theo một số cách thì kỳ lạ hơn: băng dẻo VII (plastic ice VII). Đây là một biến thể của băng VII xuất hiện khi băng được làm nóng đến khoảng 500 độ C.

Trong băng dẻo, các phân tử nước giữ nguyên cấu trúc kết tinh rắn nhưng quay nhanh tại chỗ. Chuyển động này rất khó quan sát vì hydro gần như vô hình với tia X. Do đó, nhóm của Bove đã sử dụng một kỹ thuật khác: họ gửi một chùm neutron vào băng nóng.

Các phân tử quay trong băng dẻo VII mang lại cho băng một độ đàn hồi nhất định. Người ta tin rằng băng dẻo VII tồn tại bên trong lõi của các mặt trăng băng và được coi là trạng thái trung gian mà băng đi qua trước khi trở thành dạng nóng hơn gọi là băng siêu ion (superionic ice), được phát hiện lần đầu vào năm 2019.

Chúng ta sống trên hành tinh của nước, nhưng chúng ta vẫn đang học hỏi những gì nước có thể làm. Millot kết luận: "Càng nhìn nhiều và thí nghiệm càng tốt, chúng ta càng tìm thấy nhiều bất ngờ hơn."